Основы биохимии спорта
| Вид материала | Курс лекций |
- Председатель цикловой методической комиссии, 42.51kb.
- М. К. Аммосова биолого географический факультет институт физической культуры и спорта, 137.1kb.
- Тематический план лекций по общей биохимии для студентов 2-го курса лечебного, педиатрического, 1643.39kb.
- Учебное пособие составлено в соответствии с программой по биохимии для студентов всех, 1517.82kb.
- Предмет биохимии. Химия белка. (Занятия I – IV), 2013.12kb.
- «применение информационных технологий в физиологии и биохимии растений», 266.57kb.
- Уважаемые коллеги!, 30.02kb.
- Закон Республики Казахстан от 2 декабря 1999 года №490-I, 539.89kb.
- Методические рекомендации по курсу «правовые основы физической культуры и спорта», 140kb.
- Горовцов Андрей Владимирович, ассистент кафедры биохимии и микробиологии биолого-почвенного, 32.35kb.
^ Тема 8. ГОРМОНЫ. БИОХИМИЯ КРОВИ И МОЧИ.
Вопросы лекции и семинарского занятия.
1.Общая характеристика гормонов.
2. Биохимия крови.
3. Химический состав и физико-химические свойства мочи.
§ 1. Общая характеристика гормонов.
Гормоны – биологически активные вещества разнообразного строения, вырабатывающиеся в специализированных органах – железах внутренней секреции, - поступающие с кровью в различные органы и оказывающие в них регулирующее влияние на метаболизм и физиологические функции.
В клетках, на которые действуют гормоны – клетках мишенях – имеются на клеточных мембранах особые белки, называемые рецепторами. К ним и прикрепляются гормоны.
Внутриклеточные механизмы действия гормонов разнообразны. Можно, однако, выделить три главных механизма присущие большинству гормонов.
1. Гормоны влияют на скорость синтеза ферментов, ускоряя или замедляя его. В результате такого воздействия в органах-мишенях повышается или снижается концентрация определенных ферментов, что сопровождается соответствующим изменением скорости ферментативных реакций.
2. Гормоны влияют на активность ферментов в этих органах. В одних органах они выступают активаторами, а в других ингибиторами ферментативных реакций.
3. Гормоны влияют на проницаемость клеточных мембран по отношению к определенным химическим соединениям. В результате такого воздействия в клетки поступает больше или меньше субстратов для ферментативных реакций, что тоже обязательно сказывается на скорости химических процессов.
Все указанные механизмы влияют на скорость метаболизма, что в свою очередь влияет на физиологические функции.
По химическому строению гормоны можно разделить на несколько групп.
^ 1. Гормоны белковой природы: гормоны гипоталамуса, гормоны гипофиза, кальцитонин щитовидной железы, гормон паращитовидных желез, гормоны поджелудочной железы.
^ 2. Гормоны производные аминокислоты тирозина: йодсодержащие гормоны щитовидной железы, гормоны мозгового слоя надпочечников.
3. Гормоны стероидного строения: Гормоны коры надпочечников, гормоны половых желез.
Синтез и выделение гормонов в кровь находится под контролем нервной системы и других гормонов. Причем, нервная система действует через гуморальную, главным образом через гормоны гипоталамическо-гипофизарной системы.
^ 2. Биохимия крови.
В спортивной практике анализ крови используется для оценки влияния на организм спортсмена тренировочных и соревновательных нагрузок, оценки функционального состояния спортсмена и его здоровья. Поэтому специалист в области физической культуры должен иметь представление о химическом составе крови.
Объём крови у человека около 5 л, что составляет примерно 1\13 часть от объёма или массы тела.
Кровь, как известно, состоит из плазмы (55% объема) и форменных элементов (45%).
Функции крови. ( из курса физиологии)
Функции крови можно разделить на две группы:
- Функции исключительно плазмы крови,
- Функции, выполняемые совместно плазмой крови и форменными элементами.
Самостоятельно плазма крови выполняет следующие функции:
- Перенос растворимых органических веществ от тонкого кишечника к различным органам и тканям, где эти вещества откладываются про запас или участвуют в обмене веществ.
- Транспорт подлежащих выделению веществ из тканей, где они образуются, к органам выделения.
- Перенос побочных продуктов обмена веществ из мест их образования к другим участкам тела.
- Транспорт гормонов из желез внутренней секреции к органам "мишеням".
- Перенос тепла от глубоко расположенных органов, предупреждающий перегрев этих органов и поддерживающий равномерное распределение тепла в организме.
Совместно с форменными элементами плазма крови выполняет следующие функции:
- Доставка кислорода из легких по всем тканям организма (эритроциты) и перенос в обратном направлении углекислого газа.
- Защита от болезней в которой участвуют три механизма: свертывание крови, фагоцитоз, синтез антител.
Химический состав плазмы крови в покое относительно постоянный. Вот его основные компоненты:
Вода 90%
Белки 6 – 8%
Прочие органические вещества около 2%
Минеральные вещества около 1%
^ Белки плазмы крови делятся на две основные группы альбумины и глобулины.
Альбумины – низкомолекулярные белки. Они выполняют две основные функции.
1. Транспортная. Благодаря хорошей растворимости они переносят с током крови нерастворимые в воде вещества
^ 2. Задерживают воду в кровяном русле. Воды в кровяном русле больше, чем в других тканях, поэтому она стремится покинуть его. Альбумины препятствуют этому.
Глобулины – это высокомолекулярные белки. Они также участвуют в транспортной и удерживающей функциях. Однако, помимо этого многие глобулины крови участвуют в создании иммунитета и свертывании крови.
Белки плазмы синтезируются в печени.
(На рисунке, приведенном ниже, имеется таблица, где сведены основные свойства белков плазмы крови, их функции и то, как осуществляется электрофорез белков.)
^ Белки плазмы крови.
Прочие органические вещества (кроме белков) обычно разделяют на азотистые и безазотистые.
^ Азотистые соединения – это промежуточные и конечные продукты обмена белков и нуклеиновых кислот. Это низкомолекулярные пептиды, аминокислоты, креатин, нуклеотиды, нуклеозиды, а также мочевина, мочевая кислота, билирубин и креатинин.
^ Безазотистые вещества – это глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза, пировиноградная и молочная кислоты, жиры, фосфолипиды и холестерин.
Кроме того в плазме крови находятся минеральные вещества, представленные катионами натрия, калия, кальция, магния и анионами хлором, остатками угольной, фосфорной и серной кислот.
Клетки крови мы подробно изучали в курсе анатомии и физиологии. Важнейшим химическим компонентом красных клеток крови является белок гемоглобин – основной переносчик кислорода в крови. Лейкоциты вырабатывают белки иммуноглобулины – важнейший компонент иммунной системы человека.
^ Форменные элементы крови (из курса физиологии)
Эритроциты или красные клетки крови – это мелкие клетки, лишенные ядра и имеющие форму двояковогнутых дисков. Их диаметр 7 – 8 микрометров. Специфическая форма эритроцитов увеличивает газообмен. Благодаря своей эластичности эритроцит может проходить через капилляры, просвет которых меньше его диаметра.
Эритроциты образуются в гематопоэтической ткани, а разрушаются в печени и селезенке. За 1 сек, в организме человека образуется до 10 млн. этих клеток и столько же разрушается. В 1 куб. мм крови эритроцитов содержится от5 до 5,5 миллионов. Эти клетки переносят кислород и участвуют в переносе углекислого газа. Продолжительность жизни эритроцитов до 3месяцев.
Лейкоциты – более крупные клетки, нежели эритроциты. В 1кубическом мм крови их содержится около 7000. Различают два класса этих клеток: зернистые лейкоциты – гранулоциты и незернистые – агранулоциты.
Гранулоциты образуются в костном мозге. Они имеют разделенное на лопасти ядро и зернистую цитоплазму. Это клетки способные к самостоятельному передвижению. Выделяют три основные вида этих клеток: нейтрофилы, базофилы и эозинофилы.
Нейтрофилы составляют до 70% всех лейкоцитов. Они могут через стенки капилляров проникать в межклеточные пространства и направляться к очагам инфекции. Нейтрофилы уничтожают болезнетворные бактерии (фагоцитоз).
^ Эозинофилы (1,5%) обладают антигистаминовым действием, то есть увеличивают вероятность свертывания крови при ранениях.
Базофилы (0,5%) вырабатывают вещества гепарин и гистамин и являются активными участниками в процессах препятствующих свертыванию крови внутри сосудов.
Агранулоциты содержат ядро овальной формы и незернистую цитоплазму. Их различают два основных вида: моноциты (4%) и лимфоциты (24%).
Моноциты содержат ядро бобовидной формы и образуются в костном мозге. Они активно участвуют в процессах фагоцитоза, но нападают на иные, нежели нейтрофилы, микроорганизмы и вещества.
Лимфоциты являются производителями антител. Их различают два класса Т-клетки и В-клетки.
Тромбоциты или кровяные пластинки – это фрагменты клеток, имеющие неправильную форму и, обычно, лишенные ядра. Они играют важную роль в системе свертывания крови. В 1 кубическом мм крови их содержится около 250 тыс.
В покое у здорового человека кровь имеет слабощелочную реакцию: рН 7,4 – 7, 36.
Постоянство рН крови обеспечивается буферными системами крови. Самой мощной буферной системой крови является гемоглобиновая система.
Кровь хорошо нейтрализует кислоты, что очень важно для нормального хода обмена веществ.
Однако при нарушениях метаболизма наблюдается ацидоз – увеличение кислотности крови. Снижение рН ниже 6,8 – несовместимо с жизнью.
Реже наблюдается алкалоз – увеличение щелочности крови. Предельное значение рН в этом случае 8,0.
У спортсменов часто встречается ацидоз, вызванный образованием в мышцах больших количеств молочной кислоты.
§ 3. Химический состав и физико-химические свойства мочи.
Из курса физиологии
^ Роль почек в выделительных процессах.
В основе поддержания гомеостаза (постоянства внутренней среды организма) лежат три процесса: экскреция, секреция и осморегуляция.
Экскреция – это удаление из организма ненужных продуктов обмена веществ. Секреция – это выделение веществ, которые отходами не являются. Осморегуляция – это регулирование относительных концентраций воды и растворенных в ней веществ. Работа выделительной системы направлена на осуществление этих трех процессов.
Почки – важнейший компонент выделительной системы. Работа почек основана на трех механизмах: ультрафильтрации, избирательной реабсорбции и активном переносе растворимых веществ в окружающую среду (секреции в узком смысле).
Ультрафильтрация происходит в важнейшей части нефрона – клубочке. Здесь многие низкомолекулярные вещества, такие как глюкоза, вода, мочевина, переходят в жидкость – фильтрат.
^ Избирательная реабсорбция происходит в канальцах нефрона. Здесь все вещества, которые могут быть использованы организмом, всасываются из фильтрата обратно в кровь.
В канальцах нефронов происходит и активная секреция ненужных организму веществ, например избыток некоторых ионов (К+, Н+, NH4 +).
Мочеобразование происходит в два этапа: 1) образование первичной мочи (ультрафильтрация) и 2) образование вторичной мочи (реабсорбция и секреция). Почки пропускают ежесуточно около 2000 л крови, из которой образуется около 200 л первичной мочи и около 2 л вторичной.
^ Регуляция мочеобразования.
Мочеобразование в почках во многом определяется их способностью к соморегуляции. Отключение корковых и подкорковых центров не приводит к прекращению мочеобразования. Однако кора и гипоталамус оказывают существенное влияние на этот процесс.
В гипоталамусе образуется вазопрессин или антидиуретический гормон (АДГ), усиливающий реабсорбцию воды из первичной мочи. В процессе реабсорбции играет важную роль гормон коры надпочечников – альдостерон. Благодаря этому гормону происходит реабсорбция ионов натрия и калия.
Мышечная работа оказывает существенное влияние на скорость мочеобразования, состав и объем образующейся мочи. Это влияние выражается в увеличении экскреции продуктов катаболизма глюкозы – молочной и фосфорной кислот. Это сказывается и на функциях дыхания, так как ведет к гипервентиляции легких или дыхательному ацидозу.
При напряженной тренировке или перетренировке иногда наступает избыточное потребление белка – метаболический ацидоз. Его признаком является увеличение кислых продуктов в моче, а при сильной перетренировке – появление в моче белка. Врачи рекомендуют в этих случаях овощную диету до тех пор, пока моча не сделается снова щелочной.
^ Физико-химические свойства мочи. Объем мочи зависит от количества потребляемой жидкости и составляет в среднем 50 – 80% от её объема. Суточное количество мочи у здорового взрослого человека составляет 2000 мл.
Увеличение объема мочи бывает при приеме большого количества жидкости. Особенно выделение мочи возрастает при употреблении в больших количествах чая, кофе, алкогольных напитков. Содержащийся в них кофеин (чай, кофе) и этиловый спирт (алкогольные напитки) угнетают выработку вазопрессина. Синтез этого гормона подавляется также при охлаждении.
При ограниченном приеме жидкости объем мочи уменьшается. Снижение выделения мочи наблюдается и при болезнях почек, при рвоте, поносе, испарении воды кожей при повышенной температуре.
У спортсменов снижение уровня выделения мочи встречается после интенсивных тренировок и соревнований вследствие большой потери воды с потом и выдыхаемым воздухом.
Плотность мочи у нормального здорового человека составляет 1,010 – 1,040 г/мл. После выполнения физических нагрузок, сопровождаемых значительным потоотделением, моча может иметь высокую плотность – до 1,035 – 1,040 г/мл.
Кислотность мочи зависит от питания. Обычно моча имеет слабокислую реакцию. Употребление в пищу мяса делает мочу ещё более кислой, а овощная диета, напротив, делает мочу более щелочной. После выполнения физических нагрузок кислотность мочи возрастает, что объясняется выделением с мочой больших количеств молочной кислоты.
В норме моча имеет соломенно-желтую окраску. Эту окраску придают моче главным образом пигменты, образующиеся при распаде гемоглобина. Интенсивность окраски зависит от плотности мочи. Чем выше плотность, тем насыщеннее окраска мочи.
Свежевыделенная моча у здоровых людей, как правило, прозрачна. Далее возможно ее помутнение. Прозрачность мочи следует оценивать сразу после её выделения.
В сутки с мочой из организма выделяется 50 – 70 г растворенных в ней веществ.
На первом месте в составе мочи – мочевина. За сутки ее выделяется 20 – 35 г. По содержанию мочевины можно судить об интенсивности распада белков в организме. У здорового человека выделение мочевины повышается при приеме богатой белками пищи.
Еще одно вещество – мочевая кислота – выделяется при распаде нуклеиновых кислот. Её обычное содержание в моче 0.7 г. Мочевая кислота и её соли плохо растворимы в воде, поэтому они могут образовывать камни в почках, мочевом пузыре и выпадать в виде осадка в собранной моче.
В моче в сутки может выделяться также 1- 2 г креатина, 8 -15 г хлористого натрия.
При патологических состояниях в моче может появляться белок. Это явление называется протеинурия. Это явление связано с серьезными нарушениями работы почек и сердечной недостаточности. Оно нередко встречается при занятиях спортом и говорит о перетренировке.
Ещё одним поводом для беспокойства может служить глюкозурия – повышенное содержание глюкозы в моче. Причин здесь может быть две: либо повышенное содержание глюкозы в крови, либо плохая работа почек.
Кетоновые тела появляются в моче при диабете, продолжительных физических нагрузках, при голодании. Наличие в моче избытка кетоновых тел называется кетонурия.
Наконец при воспалительных процессах в моче может появляться кровь. Гематурия – называется это явление. У спортсменов – это явление носит, как правило, травматический характер. По виду эритроцитов в этой крови можно сказать о месте нарушения мочевыделительной системы.
Часть 2. ОСНОВЫ СПОРТИВНОЙ БИОХИМИИ.
Раздел 4.Биохимия мышечной деятельности.
Тема 9. Биохимия мышечного сокращения.
Тема 10. Энергетическое обеспечение мышечного сокращения.
Тема 9. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ.
Вопросы лекции и семинарского занятия.
1. Общая характеристика мышц. Строение мышечных клеток.
2. Строение миофибрилл.
3. Сокращение и расслабление мышцы.
§ 1. Общая характеристика мышц. Строение мышечных клеток.
Учение о мышцах – это важнейший раздел биохимии, имеющий исключительное значение для спортивной биохимии.
Важнейшей особенностью функционирования мышц является то, что в процессе мышечного сокращения происходит непосредственное превращение химической энергии АТФ в механическую энергию сокращения мышц. Это явление не имеет аналогов в технике и присуще только живым организмам.
У животных и человека два основных типа мышц: поперечнополосатые и гладкие, причем поперечнополосатые мышцы делятся на два вида – скелетные и сердечные. Гладкие мышцы характерны для внутренних органов, кровеносных сосудов.
Поперечнополосатые мышцы состоят из тысяч мышечных клеток – волокон. Волокна объединены соединительно-тканными прослойками и такой же оболочкой – фасцией. Мышечные волокна – миоциты - представляют собой сильно вытянутые многоядерные клетки гигантских размеров от 0,1 до 10см длиной и толщиной около 0,1 – 0,2 мм.
Миоцит состоит из всех обязательных компонентов клетки. Особенностью мышечного волокна является то, что внутри эта клетка содержит большое количество сократительных элементов - миофибрилл. Как и другие клетки тела миоциты содержат ядро, причем, у клеток поперечнополосатых мышц ядер несколько, рибосомы, митохондрии, лизосомы, цитоплазматическую сеть.
^ Цитоплазматическая сеть называется в этих клетках саркоплазматической сетью. Она связана с помощью особых трубочек, называемых Т-трубочками, с клеточной мембранной – сарколеммой. Особо следует выделить в саркоплазматической сети пузырьки, называемые цистернами. Они содержат большое количество ионов кальция. С помощью специального фермента кальций накачивается в цистерны. Этот механизм называется кальциевым насосом и необходим для сокращения мышцы.
Цитоплазма или саркоплазма миоцитов содержит большое количество белков. Здесь немало активных ферментов, среди которых важнейшими являются ферменты гликолиза, креатинкиназа. Немалое значение имеет белок миоглобин, сохраняющий кислород в мышцах.
Кроме белков в цитоплазме мышечных клеток содержатся фосфогены – АТФ, АДФ, АМФ, а также креатинфосфат, необходимые для нормального снабжения мышцы энергией.
Основной углевод мышечной ткани – гликоген. Его концентрация достигает 3%. Свободная глюкоза в саркоплазме встречается в малых концентрациях. В тренируемых на выносливость мышцах накапливается запасной жир.
Снаружи сарколемма окружена нитями белка – коллагена. Мышечное волокно растягивается и возвращается в исходное состояние за счет упругих сил, возникающих в коллагеновой оболочке.
§ 2. Сократительные элементы (миофибриллы).
Сократительные элементы – миофибриллы – занимают большую часть объема миоцитов. В нетренированных мышцах миофибриллы расположены, рассеяно, а тренированных они сгруппированы в пучки, называемые полями Конгейма.
Микроскопическое изучение строения миофибрилл показало, что они состоят из чередующихся светлых и темных участков или дисков. В мышечных клетках миофибриллы располагаются таким образом, что светлые и темные участки рядом расположенных миофибрилл совпадают, что создает видимую под микроскопом поперечную исчертанность всего мышечного волокна.
Использование электронного микроскопа с очень большим увеличением позволило расшифровать строение миофибрилл и установить причины наличия у них светлых и темных участков. Было обнаружено, что миофибриллы являются сложными структурами, построенными в свою очередь, из большого числа мышечных нитей дух типов – толстых и тонких. Толстые в два раза толще тонких, соответственно 15 и 7 нм.
Состоят миофибриллы из чередующихся пучков параллельно расположенных толстых и тонких нитей, которые концами заходят друг на друга.
Участок миофибриллы, состоящий из толстых нитей и находящимися между ними концов тонких нитей, обладает двойным лучепреломлением. Под микроскопом эти участки кажутся темными и получили название анизотропных или темных дисков (А-диски).
Тонкие участки состоят из тонких нитей и выглядят светлыми. Такие участки называются изотропными или светлыми дисками (I-диски). В середине пучка тонких нитей поперечно располагается тонкая пластинка из белка, которая фиксирует положение мышечных нитей в пространстве. Эта пластинка хорошо видна под микроскопом и названа Z-пластинкой или Z-линией.
Участок между соседними Z-линиями называется саркомер. Каждая миофибрилла состоит из тысяч саркомеров.
Изучение химического состава миофибрилл показало, что тонкие и толстые нити образованы белками.
Толстые нити состоят из белка миозина. Эти белки образуют двойную спираль с глобулярной головкой на конце. Миозиновые головки обладают АТФазной активностью, то есть способностью расщеплять АТФ. Второй участок миозина обеспечивает связь толстых нитей с тонкими.
Тонкие нити состоят из белков актина, тропонина и тропомиозина.
Основной белок в данном случае актин. Он обладает двумя важнейшими свойствами:
- образует фибриллярный актин, способный к быстрой полимеризации;
- актин способен соединяться с миозиновыми головками поперечными мостиками.
Другие белки тонких нитей помогают актину осуществлять его функции.
На странице 44 на рисунке А. подробно показано строение мышц.
^ Строение и механизм сокращения скелетных мышц.
§ 3. Механизм мышечного сокращения и расслабления.
Механизм мышечного сокращения до настоящего времени раскрыт не полностью.
Достоверно известно следующее.
1. Источником энергии для мышечного сокращения являются молекулы АТФ.
2. Гидролиз АТФ катализируется при мышечном сокращении миозином, обладающим ферментативной активностью.
3. Пусковым механизмом мышечного сокращения является повышение концентрации ионов кальция в саркоплазме миоцитов, вызываемое нервным двигательным импульсом.
4. Во время мышечного сокращения между тонкими и толстыми нитями миофибрилл возникают поперечные мостики или спайки.
5. Во время мышечного сокращения происходит скольжение тонких нитей вдоль толстых, что приводит к укорочению миофибрилл и всего мышечного волокна в целом.
Гипотез объясняющих механизм мышечного сокращения много, но наиболее обоснованной является так называемая гипотеза (теория) «скользящих нитей» или «гребная гипотеза».
В покоящейся мышце тонкие и толстые нити находятся в разъединенном состоянии.
Под воздействием нервного импульса ионы кальция выходят из цистерн саркоплазматической сети и присоединяются к белку тонких нитей – тропонину. Этот белок меняет свою конфигурацию и меняет конфигурацию актина. В результате образуется поперечный мостик между актином тонких нитей и миозином толстых нитей. При этом повышается АТФазная активность миозина. Миозин расщепляет АТФ и за счет выделившейся при этом энергии миозиновая головка подобно шарниру или веслу лодки поворачивается, что приводит к скольжению мышечных нитей навстречу друг другу.
Совершив поворот, мостики между нитями разрываются. АТФазная активность миозина резко снижается , прекращается гидролиз АТФ. Однако при дальнейшем поступлении нервного импульса поперечные мостики вновь образуются, так как процесс, описанный выше, повторяется вновь.
В каждом цикле сокращения расходуется 1 молекула АТФ.
^ Расслабление мышцы происходит после прекращения поступления длительного нервного импульса. При этом проницаемость стенки цистерн саркоплазматической сети уменьшается, и ионы кальция под действием кальциевого насоса, используя энергию АТФ, уходят в цистерны. Белки вновь приобретают конформацию характерную для состояния покоя.
Таким образом, и процесс мышечного сокращения и процесс мышечного расслабления – это активные процессы, идущие с затратами энергии в виде молекул АТФ,
В гладких мышцах ионы кальция также играют роль в сокращении, но поступают в мышцу не из цистерн, а из внеклеточного вещества. Этот процесс медленный и поэтому медленно работают гладкие мышцы. На странице 44 рис. Б показан механизм сокращения мышц.